A contribution to transpiration cooling for aerospace applications using CMC walls [Elektronische Ressource] / Tobias Langener. Betreuer: Jens von Wolfersdorf

Tobias Langener

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• Publié par: universitat_stuttgart
• Publié le: 01 janvier 2011
• Nombre de lectures: 22
• Langue: Deutsch
• Poids de l'ouvrage: 9 Mo

Extrait

A Contribution to Transpiration Cooling for
Aerospace Applications Using CMC Walls
A thesis accepted by the Faculty of Aerospace Engineering and Geodesy
of the Universitat Stuttgart in partial ful lment of the requirements for the
degree of Doctor of Engineering Sciences (Dr.-Ing.)
by
Dipl.-Ing. Tobias Langener
born in Haltern am See, Germany
Committee chair: Prof. Dr.-Ing. Jens von Wolfersdorf
Committee member: Prof. Dr.-Ing. Stefan Schlechtriem
Date of defence: 01.07.2011
Institute of Aerospace Thermodynamics
University of Stuttgart
2011Vitam regunt fortuna sapientiaque, non scientia.Vorwort
Während meiner Zeit als wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Thermody-
namik der Luft- und Raumfahrt hatte ich die Möglichkeit mich frei aber auch intensiv
meiner wissenschaftlichen Fragestellung, der Wirkungsweise der Transpirationsküh-
lung, zu widmen. Dieses lag vornehmlich an der sehr guten Betreuung durch meinen
Doktorvater Herrn Prof. Dr.-Ing. Jens von Wolfersdorf, welcher bei Problemen im-
mer zeitnah zum Gespräch zur Verfügung stand und auch ausreichend Freiraum für
eigene Ideen gelassen hat. Außerdem möchte ich seine professionelle aber auch sehr
angenehme Arbeitsweise hervorheben und auch an die gemeinsamen Dienstreisen
quer durch Europa erinnern.
Des Weiteren gilt mein Dank Herrn Prof. Dr.-Ing. Stefan Schlechtriem für seine
Funktion als Mitberichter bei meiner Promotion, dem der Arbeit entgegen ge-
brachten Interesse und dem sehr positiven Feedback nach der Prüfung.
Zu einer erfolgreichen Promotion gehören meiner Meinung nach nicht nur eine
gute Betreuung, sondern auch eine positive Arbeitsumgebung. Hier gilt mein Dank
Herrn Prof. Dr.-Ing. Bernhard Weigand für die sehr gute Leitung des Instituts und das
Schaffen der professionellen Arbeitsbedingungen. Auch haben die vielen Kollegen,
von denen einige zu guten Freunden geworden sind, die Zeit am Institut leicht
gemacht. Es gab neben regem fachlichen Austausch auch zahlreiche erheiternde
Diskussionen und private Vergnügungen. Einzelne Personen und Gelegenheiten
möchte ich bewusst nicht nennen, das würde den Rahmen hier sprengen. Auch
nicht zu vergessen ist die Hilfe der studentischen Hilfskräfte und der Studenten, die
ich während ihrer Studien- und Diplomarbeit betreute.
Weiterhin ist bei einer experimentellen Arbeit eine gute Unterstützung durch die
Werkstätten unabdingbar. Hier möchte ich die fachgerechte und hilfreiche Arbeit
von Herrn Eberhard Mayer, Herrn Jürgen Fauser und Herrn Christian Otto von der
mechanischen Werkstatt und von Herrn Uli Schwaderer und Herrn Thomas Bertnik
von der elektrischen Werkstatt ganz besonders hervorheben.
Ohne die Unterstützung meiner Eltern hätte ich schon meinen Diplomstudien-
gang nicht in der benötigten Zeit oder vielleicht gar nicht beendet. Auch haben sie
mir meine Auslandsaufenthalte ermöglicht, durch die ich viele einzigartige Erfahrun-
gen sammeln konnte. Während der Promotion haben Sie mich immer ermutigt,
auch wenn die Experimente gerade nicht das lieferten, was sie sollten.
My girlfriend Samara is a very special person to me. She is a very calming girl,
who is able to comfort me, especially in stressful situations. This was also the case
during the work on this thesis. With her love, compassion, and great patience she
was always able to support whatever I was doing, but in particular during the last
months at ITLR and the first months in Holland.
Leiden (Niederlande), im Juli 2011Cover Picture
The cover picture shows a temperature map obtained by infrared thermography of a tran-
spiration cooled C/C sample at a blowing ration ofF = 0.1%. A velocity profile measured
during the outflow characterization of a porous sample has been superposed to this.Contents
Table of Contents i
List of Figures v
List of Tables ix
Nomenclature xi
Abstract xv
Kurzfassung xvii
1 Introduction 1
1.1 Hypersonic Airbreathing Propulsion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.1.1 Ramjet Engines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.1.1.1 Ramjet, Scramjet, and Dual-Mode Scramjet Engines 4
1.1.1.2 The Brayton Cycle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.1.2 Major Technical Challenges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.1.3 Selected Hypersonic Research Programs . . . . . . . . . . . . . 7
1.2 Motivation and Approach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2 Physical Background 13
2.1 Cooling Techniques for Aerospace Applications . . . . . . . . . . . . . 13
2.1.1 Film Cooling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.1.2 Transpiration Cooling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.2 Hot-Gas Heat Transfer without Blowing . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.3 Turbulent Boundary Layers Subject to Blowing . . . . . . . . . . . . . 21
2.3.1 Model of Rannie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.3.2 Model of Eckert and Livingood . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.3.3 Model of Kays et al. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.4 Thermal Behavior of Porous Structures . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.5 Through-Flow Behavior of Porous Structures . . . . . . . . . . . . . . 28
2.6 Ceramic Matrix Composite (CMC) Materials . . . . . . . . . . . . . . . 29
iContents
3 Experimental Setups and Measurement Techniques for Hot-Gas Tests 31
3.1 Experimental Facility . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.2 Test Setup for Supersonic Experiments . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.2.1 Test Channel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.2.2 Sample Integration Concept . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.2.3 Parameter Range . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.3 Test Setup for Subsonic Experiments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.3.1 Subsonic Flow Channel and Sample Integration Concept . . . 36
3.3.2 Parameter Range . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.4 Investigated CMC Samples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.5 Infrared Thermography for Quantitative Wall Temperature Measure-
ments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.6 Measurement and Data Acquisition System . . . . . . . . . . . . . . . 43
4 Characterization of Investigated CMC Material 47
4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
4.2 Pressure Tank . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
4.3 Outflow Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
4.3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
4.3.2 Experimental Procedure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
4.3.3 Validation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
4.3.4 Exit-Flow Profiles of C/C Material . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
4.3.5 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
4.4 Through-Flow and Permeability Coefficients of C/C . . . . . . . . . . 59
4.4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
4.4.2 Validation of Test-Rig . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
4.4.3 Determination of Permeability Coefficients . . . . . . . . . . . 61
5 Transpiration Cooling of C/C Wall Segments with Di erent Coolants 65
5.1 Pressure Distribution in the Supersonic Flow Channel . . . . . . . . . 65
5.2 Surface Temperature Distribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
5.3 Cooling Efficiency of the Porous Wall . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
5.4 Thermal Behavior of the Porous C/C Wall in Subsonic Flow Experiments 76
5.4.1 Pressure Distribution in Subsonic Flow Regime . . . . . . . . . 76
5.4.2 Wall Temperature Distribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
5.4.3 Wall Cooling Efficiency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
5.4.4 Cooling Efficiency Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
5.4.5 Internal Temperature Profile of C/C Wall Segment . . . . . . . 85
5.4.6 1D-Approach for Wall-Temperature Profile Prediction . . . . . 87
5.5 Through-Flow Behavior of Porous Materials in Hot-Gas Tests . . . . . 90
5.5.1 Modified Darcy-Forchheimer Equation for Non-Isothermal
Porous Media . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
5.5.2 Prediction of the Pressure Loss Using the Wall Temperature
Model for Different Coolants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
5.6 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
6 Estimates for Transpiration Cooling Applied to Aerospace Structures 101
iiContents
6.1 Examplary Thermal Prediction of Application Related Combustors
with Hydrogen as a Coolant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
6.2 Application of the Transpiration Cooling Model to a Generic Combus-
tor of Varying Geometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
6.3 Estimates of the Pressure Drop for Hydrogen Transpiration Cooled
Porous Combustion Chambers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
6.4 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
7 Summary and Outlook 111
Bibliography 113
A Un